Молекулярная биофизика. Пространственная организация биополимеров

Июль 24, 2022

Главная
Биология
Молекулярная биофизика. Пространственная организация биополимеров

Содержание

2. РАЗДЕЛЫ БИОФИЗИКИ БИОФИЗИКА Биофизика сложных систем Строение и физико-химические свойства биологически функциональных молекул Общие биолого-физические проблемы
3. Молекулярная биология (развитие генетики и цитологии) Объекты исследования: биологические молекулы (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы), их строение
4. Молекулярная биофизика Область молекулярной биологии Изучает: Строение и функции биологических объектов и систем на основе физических
5. Биополимеры – это класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде и входящие в состав живых
6. Биополимеры обладают рядом особенностей: 1. Состоят из большого числа атомов 2. Имеют большое число функциональных групп
7. Подвижность полимеров может иметь статистический и детерминированный (механический) характер. Статистическая подвижность биополимера это варианты отдельных элементов
8. Двойственность свойств макромолекул Статистические Большое число внутримолекулярных степеней свободы вследствие теплового движения, поворотов и вращения вокруг
9. Гибкость полимерной цепи Прямолинейная конформация Конформация запутанного клубка Какова характерная форма молекулярной цепи в различных полимерных
10. Модели гибкости полимерных цепей Персистентная модель (червеобразная) Свободно - сочлененная модель h=N*l
11. К определению персистентной длины и эффективного сегмента где L -полная контурная длина полимерной цепи, R2 -
12. Макромолекулярная структура ДНК. (а)—Модель Уотсона — Крика; (6)—параметры спиралей В-, С- и Т-форм ДНК (проекции перпендикулярно
14. Полимерная цепь, где взаимодействуют только соседние звенья Клубок Свойства клубка Переход между конформациями в результате микроброуновского
15. Глобула с плотной сердцевиной Свойства глобулы Имеет структуру Сердцевина большой глобулы пространственно однородна с постоянной концентрацией
17. Переходы глобула-клубок (порядок-беспорядок) Происходят в относительно малом интервале температур – подобны фазовым переходам 1-го рода (напр.
18. Объёмные взаимодействия
19. Типы объемных взаимодействий
21. Гидрофобные взаимодействия 4.
23. Водородная связь - разновидность донорно-акцепторной связи, невалентное взаимодействие между атомом водорода Н, ковалентно связанным с атомом
24. Особенностями водородной связи, по которым ее выделяют в отдельный вид, является: 1. Не очень высокая прочность
25. Белок ДНК Целлюлоза
26. Молекула воды А . Кислород имеет р.электронные орбитами, оси которых перпендикулярны друг другу. Б . В
28. Свойства молекулы воды Полярная жидкость: значительный дипольный момент р~0,6*10-29 Клм; высокая диэлектрическая проницаемость ε~81 Между молекулами
29. Сетка водородных связей - вода
30. Сетка водородных связей - лед
32. Полости в кристаллической решетке водных кластеров
33. Гидрофобные взаимодействия способствуют отталкиванию друг от друга неполярных незаряженных групп и молекул воды. Эти силы определяют
35. Строение глобулы по Фишеру Ve – гидрофильная часть Vi – гидрофобная часть Vt – объем всей
37. вещества Полярные= гидрофильные Неполярные = гидрофобные Амфифильные полярная «голова»+ неполярный «хвост»
38. вода-растворитель Полярное вещество →притяжение (диполь - дипольное взаимодействие) Неполярное вещество → отталкивание (искажения, разрыв Н-связей) Амфифильное
39. Вода + амфифильное вещество
40. Сферические мицеллы
41. Параллельные цилиндрические мицеллы
42. Ламелли (параллельные слои)
43. Цилиндрические обращенные мицеллы
44. Сферические мицеллы
45. Липосома
46. Электростатические силы (разновидность – ионные взаимодействия) Электростатические взаимодействия образуются за счёт взаимодействия электростатически - заряженных групп
48. Ион-дипольные взаимодействия возникают между ионами и молекулами или атомными группами, обладающими дипольным моментом, например, между ионами
49. Атомы, находящиеся на небольшом расстоянии друг от друга, взаимодействуют за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий:
50. Ориентационные (диполь-дипольные) связи возникают между молекулами, обладающими дипольным моментом. Энергия диполь-дипольного взаимодействия равна:
51. Молекула, имеющая постоянный дипольный момент, способна индуцировать его в соседней молекуле. Энергия индукционного взаимодействия равна: Энергия
54. Конформация - такое распределение атомов в пространстве, которое можно изменить вращением вокруг одинарных связей (возможен разрыв
55. Пептидная связь 1. Компланарность – все атомы, входящие в пептидную группу, находятся в одной плоскости. 2.
56. Общее строение полипептидной цепи Характеризуется тремя углами: ω, ψ, φ
57. Общее выражение для конформационной энергии
58. Характеризуется тремя углами: ω, ψ, φ Однако, двойной характер пептидной связи препятствует вращению вокруг нее: (ω
61. Скачать презентацию

Слайд 2

РАЗДЕЛЫ БИОФИЗИКИ
БИОФИЗИКА
Биофизика сложных систем
Строение и физико-химические свойства биологически функциональных молекул
Общие биолого-физические

проблемы и математическое моделирование биологических (биофизических) процессов

Биофизика клетки

Строение и функционирование клеточных и тканевых систем. Задачи – изучение физики клеточных мембран и биоэнергетики

Молекулярная биофизика

Слайд 3

Молекулярная биология (развитие генетики и цитологии)
Объекты исследования:
биологические молекулы (белки, нуклеиновые кислоты,

углеводы), их строение и свойства
Методы исследования:
Биологические
Физические
Химические

Слайд 4

Молекулярная биофизика
Область молекулярной биологии
Изучает:
Строение и функции биологических объектов и систем

на основе физических методов и подходов

Область молекулярной физики
Исследует:
Молекулярно-физические основы важнейших жизненных процессов

Слайд 5

Биополимеры – это класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде

и входящие в состав живых организмов. К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Биополимеры состоят из одинаковых (или разных) звеньев – мономеров.
Мономеры белков – аминокислоты, нуклеиновых кислот – нуклеотиды, в полисахаридах – моносахариды.
Выделяют два типа биополимеров – регулярные (некоторые полисахариды) и нерегулярные (белки, нуклеиновые кислоты, некоторые полисахариды).

Слайд 6

Биополимеры обладают рядом особенностей:
1. Состоят из большого числа
атомов
2. Имеют большое

число функциональных групп
3. Значительное число степеней свободы

Слайд 7

Подвижность полимеров может иметь статистический и детерминированный (механический) характер.
Статистическая подвижность

биополимера это варианты отдельных элементов структуры, повороты вокруг одинарных связей. Форма и размеры молекулы зависит от статистической подвижности биополимера.

Детерминированный характер движения обуславливает функциональные изменения в молекуле.

Задача молекулярной биофизики: исходя из характера взаимодействия атомных групп, раскрыть природу внутримолекулярной динамики макромолекул

Слайд 8

Двойственность свойств макромолекул
Статистические
Большое число внутримолекулярных степеней свободы вследствие теплового движения, поворотов

и вращения вокруг единичных связей

Детерминистические
Химические связи, ближние и дальние взаимодействия

Задача молекулярной биофизики: исходя из характера взаимодействия атомных групп, раскрыть природу внутримолекулярной динамики макромолекул.

Слайд 9

Гибкость полимерной цепи
Прямолинейная конформация
Конформация
запутанного клубка
Какова характерная форма молекулярной цепи в

различных полимерных веществах (какова конформация)?

Слайд 10

Модели гибкости полимерных цепей
Персистентная модель (червеобразная)
Свободно - сочлененная модель
h=N*l

Слайд 11

К определению персистентной длины и эффективного сегмента
где L -полная контурная длина

полимерной цепи, R2 - среднеквадратичное значение вектора R, соединяющего концы полимерной цепи (рис). Ф-ла (2) показывает, что полимерную цепь можно представить системой свободно сочленённых друг с другом эффективных жёстких сегментов длины l, число таких сегментов в цепи равно .

Слайд 12

Макромолекулярная структура ДНК.
(а)—Модель Уотсона — Крика;
(6)—параметры спиралей В-, С-

и Т-форм ДНК (проекции перпендикулярно оси спирали);
(в)—поперечный разрез спирали ДНК в В-форме (заштрихованные прямоугольники изображают пары оснований);
(г)—параметры спирали ДНК в А-форме;
(д)—поперечный разрез спирали ДНК в А-форме.

Слайд 13

Слайд 14

Полимерная цепь, где взаимодействуют только соседние звенья
Клубок
Свойства клубка
Переход между конформациями в

результате микроброуновского движения частей цепи.
He обладает внутренней структурой, все время «дышит» с амплитудой порядка размера клубка.
Взаимное положение отдельных частей подчиняется статистическим закономерностям.

Слайд 15

Глобула с плотной сердцевиной
Свойства глобулы
Имеет структуру
Сердцевина большой глобулы пространственно однородна с

постоянной концентрацией звеньев (большей по сравнению с наружными слоями)

Полимерная цепь, где имеются объемные взаимодействия между атомами, далеко отстоящими друг от друга в цепи

Распределение плотности звеньев в глобуле в зависимости от расстояния от центра глобулы R0 — радиус глобулы, n0 — число звеньев

Слайд 16

Слайд 17

Переходы глобула-клубок (порядок-беспорядок)
Происходят в относительно малом интервале температур – подобны фазовым переходам

1-го рода (напр. лед-вода)
Сопровождаются значительным изменением теплоемкости макромолекулы – структурные перестройки

Слайд 18

Объёмные взаимодействия

Слайд 19

Типы объемных взаимодействий

Слайд 20

Слайд 21

Гидрофобные взаимодействия
4.

Слайд 22

Слайд 23

Водородная связь - разновидность донорно-акцепторной связи, невалентное взаимодействие между атомом водорода

Н, ковалентно связанным с атомом А группы А-Н (О-H, N-H, F-H, Cl-H) молекулы RA-H и электроотрицательным атомом В (O, N, F, Cl) другой молекулы (или функциональной группы той же молекулы) BR‘ за счет электростатических и ван-дер-ваальсовых взаимодействий). Результатом таких взаимодействий являются комплексы RA-H *** BR' различной степени стабильности, в которых атом водорода выступает в роли «моста», связывающего фрагменты RA и BR'.

Слайд 24

Особенностями водородной связи, по которым ее выделяют в отдельный вид, является:
1.

Не очень высокая прочность (энергия составляет от 4 до 30 кДж/моль).
2. Высокая распространенность и важность в органических соединениях.
3. Малые размеры
4. Отсутствие дополнительных электронов у водорода
Водородные связи во многом определяют строение и свойства воды, играют важнейшую роль в формировании структуры белков и ДНК.

Слайд 25

Белок
ДНК
Целлюлоза

Слайд 26

Молекула воды
А . Кислород имеет р.электронные орбитами, оси которых перпендикулярны друг

другу.
Б . В силу отталкивания электронных облаков, угол между осями р.орбиталей увеличивается от 90о до почти 120о. В результате молекула воды приобретает структуру тетраэдра, в центре которого расположетнатом кислорода, по двум углам . атомы водорода, а по двум другим . вакансии, где электронные орбитали кислорода могут взаимодействовать с атомами водорода соседних молекул воды, образуя с ними водородные связи

Слайд 27

Слайд 28

Свойства молекулы воды
Полярная жидкость: значительный дипольный момент р~0,6*10-29 Клм; высокая диэлектрическая

проницаемость ε~81
Между молекулами воды могут образовываться водородные связи
Uтепловая (0,03эВ)3. Свойства растворителя

Слайд 29

Сетка водородных связей - вода

Слайд 30

Сетка водородных связей - лед

Слайд 31

Слайд 32

Полости в кристаллической решетке водных кластеров

Слайд 33

Гидрофобные взаимодействия способствуют отталкиванию друг от друга неполярных незаряженных групп и

молекул воды. Эти силы определяют формирование структуры биологических мембран и глобулярных белков, а также растворимость различных веществ в воде

Слайд 34

Слайд 35

Строение глобулы по Фишеру
Ve – гидрофильная часть
Vi – гидрофобная часть
Vt –

объем всей глобулы

Слайд 36

Слайд 37

вещества
Полярные=
гидрофильные
Неполярные =
гидрофобные
Амфифильные
полярная «голова»+ неполярный «хвост»

Слайд 38

вода-растворитель
Полярное вещество →притяжение
(диполь - дипольное взаимодействие)
Неполярное вещество → отталкивание
(искажения,

разрыв Н-связей)

Амфифильное вещество

Слайд 39

Вода + амфифильное вещество

Слайд 40

Сферические мицеллы

Слайд 41

Параллельные цилиндрические мицеллы

Слайд 42

Ламелли (параллельные слои)

Слайд 43

Цилиндрические обращенные мицеллы

Слайд 44

Сферические мицеллы

Слайд 45

Липосома

Слайд 46

Электростатические силы
(разновидность – ионные взаимодействия)
Электростатические взаимодействия образуются за счёт взаимодействия

электростатически - заряженных групп в молекуле биополимера. В молекулах белков роль электростатически- заряженных центров играют положительно (аргинин, лизин, гистидин) и отрицательно заряженные (глутаминовая и аспарагиновая кислота) радикалы аминокислот. В молекуле ДНК электростатически - Заряжены остатки фосфорной кислоты. Энергия электростатических взаимодействий (U эл.стат) составляет от 40 до 400 кДж/моль и вычисляется по формуле

где qi и qk – заряды на атомах (i и k), е – диэлектрическая постоянная (для белков 3,5), rik– расстояние между атомами

Слайд 47

Слайд 48

Ион-дипольные взаимодействия возникают между ионами и молекулами или атомными группами, обладающими

дипольным моментом, например, между ионами Na+ и молекулами воды. Энергия ион-дипольных взаимодействий составляет от 4 до 40 кДж/моль.

Слайд 49

Атомы, находящиеся на небольшом расстоянии друг от друга, взаимодействуют за счет

ван-дер-ваальсовых взаимодействий:

Слайд 50

Ориентационные (диполь-дипольные) связи возникают между молекулами, обладающими дипольным моментом. Энергия диполь-дипольного

взаимодействия равна:

Слайд 51

Молекула, имеющая постоянный дипольный момент, способна индуцировать его в соседней молекуле.

Энергия индукционного взаимодействия равна:

Энергия ориентационных и индукционных связей составляет 0,4-4 кДж/моль (формулы справедливы для точечных диполей).

Слайд 52

Слайд 53

Слайд 54

Конформация - такое распределение атомов в пространстве, которое можно изменить вращением

вокруг одинарных связей (возможен разрыв и образование водородных связей).

Конфигурация - такое распределение атомов в пространстве, которое можно изменить только за счет разрыва и образования химических связей.

Слайд 55

Пептидная связь
1. Компланарность – все атомы, входящие в пептидную группу, находятся

в одной плоскости.
2. Способность к существованию в двух резонансных формах: кето- или енольная.
3. Транс-положение заместителей по отношению к С-N-связи.
4. Способность к образованию водородных связей.

Слайд 56

Общее строение полипептидной цепи
Характеризуется тремя углами: ω, ψ, φ

Слайд 57

Общее выражение для конформационной энергии

Слайд 58

Характеризуется тремя углами: ω, ψ, φ
Однако, двойной характер пептидной связи препятствует

вращению вокруг нее: (ω =const=180°

В полипептидной цепи имеет место только попарное кооперативное взаимодействие при вращении вокруг единичных связей при одном α-атоме.

Слайд 59

Молекулярная биофизика. Пространственная организация биополимеров

Содержание

РАЗДЕЛЫ БИОФИЗИКИБИОФИЗИКАБиофизика сложных системСтроение и физико-химические свойства биологически функциональных молекулОбщие биолого-физические

Молекулярная биология (развитие генетики и цитологии)Объекты исследования:биологические молекулы (белки, нуклеиновые кислоты,

Молекулярная биофизика Область молекулярной биологииИзучает:Строение и функции биологических объектов и систем

Биополимеры – это класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде

Биополимеры обладают рядом особенностей:1. Состоят из большого числа атомов2. Имеют большое

Подвижность полимеров может иметь статистический и детерминированный (механический) характер. Статистическая подвижность

Двойственность свойств макромолекулСтатистическиеБольшое число внутримолекулярных степеней свободы вследствие теплового движения, поворотов

Гибкость полимерной цепиПрямолинейная конформацияКонформация запутанного клубкаКакова характерная форма молекулярной цепи в

Модели гибкости полимерных цепейПерсистентная модель (червеобразная)Свободно - сочлененная модельh=N*l

К определению персистентной длины и эффективного сегментагде L -полная контурная длина

Макромолекулярная структура ДНК. (а)—Модель Уотсона — Крика; (6)—параметры спиралей В-, С-

Полимерная цепь, где взаимодействуют только соседние звеньяКлубокСвойства клубкаПереход между конформациями в

Глобула с плотной сердцевинойСвойства глобулыИмеет структуруСердцевина большой глобулы пространственно однородна с

Переходы глобула-клубок (порядок-беспорядок)Происходят в относительно малом интервале температур – подобны фазовым переходам

Объёмные взаимодействия

Типы объемных взаимодействий

Гидрофобные взаимодействия 4.

Водородная связь - разновидность донорно-акцепторной связи, невалентное взаимодействие между атомом водорода

Особенностями водородной связи, по которым ее выделяют в отдельный вид, является:1.

БелокДНКЦеллюлоза

Молекула водыА . Кислород имеет р.электронные орбитами, оси которых перпендикулярны друг

Свойства молекулы водыПолярная жидкость: значительный дипольный момент р~0,6*10-29 Клм; высокая диэлектрическая

Сетка водородных связей - вода

Сетка водородных связей - лед

Полости в кристаллической решетке водных кластеров

Гидрофобные взаимодействия способствуют отталкиванию друг от друга неполярных незаряженных групп и

Строение глобулы по ФишеруVe – гидрофильная частьVi – гидрофобная частьVt –

веществаПолярные=гидрофильныеНеполярные =гидрофобныеАмфифильныеполярная «голова»+ неполярный «хвост»

вода-растворительПолярное вещество →притяжение (диполь - дипольное взаимодействие)Неполярное вещество → отталкивание (искажения,

Вода + амфифильное вещество

Сферические мицеллы

Параллельные цилиндрические мицеллы

Ламелли (параллельные слои)

Цилиндрические обращенные мицеллы

Сферические мицеллы

Липосома

Электростатические силы (разновидность – ионные взаимодействия)Электростатические взаимодействия образуются за счёт взаимодействия

Ион-дипольные взаимодействия возникают между ионами и молекулами или атомными группами, обладающими

Атомы, находящиеся на небольшом расстоянии друг от друга, взаимодействуют за счет

Ориентационные (диполь-дипольные) связи возникают между молекулами, обладающими дипольным моментом. Энергия диполь-дипольного

Молекула, имеющая постоянный дипольный момент, способна индуцировать его в соседней молекуле.

Конформация - такое распределение атомов в пространстве, которое можно изменить вращением

Пептидная связь1. Компланарность – все атомы, входящие в пептидную группу, находятся

Общее строение полипептидной цепиХарактеризуется тремя углами: ω, ψ, φ

Общее выражение для конформационной энергии

Характеризуется тремя углами: ω, ψ, φОднако, двойной характер пептидной связи препятствует

Похожие презентации

РАЗДЕЛЫ БИОФИЗИКИ
БИОФИЗИКА
Биофизика сложных систем
Строение и физико-химические свойства биологически функциональных молекул
Общие биолого-физические

Молекулярная биология (развитие генетики и цитологии)
Объекты исследования:
биологические молекулы (белки, нуклеиновые кислоты,

Молекулярная биофизика
Область молекулярной биологии
Изучает:
Строение и функции биологических объектов и систем

Биополимеры обладают рядом особенностей:
1. Состоят из большого числа
атомов
2. Имеют большое

Подвижность полимеров может иметь статистический и детерминированный (механический) характер.
Статистическая подвижность

Двойственность свойств макромолекул
Статистические
Большое число внутримолекулярных степеней свободы вследствие теплового движения, поворотов

Гибкость полимерной цепи
Прямолинейная конформация
Конформация
запутанного клубка
Какова характерная форма молекулярной цепи в

Модели гибкости полимерных цепей
Персистентная модель (червеобразная)
Свободно - сочлененная модель
h=N*l

К определению персистентной длины и эффективного сегмента
где L -полная контурная длина

Макромолекулярная структура ДНК.
(а)—Модель Уотсона — Крика;
(6)—параметры спиралей В-, С-

Полимерная цепь, где взаимодействуют только соседние звенья
Клубок
Свойства клубка
Переход между конформациями в

Глобула с плотной сердцевиной
Свойства глобулы
Имеет структуру
Сердцевина большой глобулы пространственно однородна с

Переходы глобула-клубок (порядок-беспорядок)
Происходят в относительно малом интервале температур – подобны фазовым переходам

Гидрофобные взаимодействия
4.

Особенностями водородной связи, по которым ее выделяют в отдельный вид, является:
1.

Белок
ДНК
Целлюлоза

Молекула воды
А . Кислород имеет р.электронные орбитами, оси которых перпендикулярны друг

Свойства молекулы воды
Полярная жидкость: значительный дипольный момент р~0,6*10-29 Клм; высокая диэлектрическая

Строение глобулы по Фишеру
Ve – гидрофильная часть
Vi – гидрофобная часть
Vt –

вещества
Полярные=
гидрофильные
Неполярные =
гидрофобные
Амфифильные
полярная «голова»+ неполярный «хвост»

вода-растворитель
Полярное вещество →притяжение
(диполь - дипольное взаимодействие)
Неполярное вещество → отталкивание
(искажения,

Электростатические силы
(разновидность – ионные взаимодействия)
Электростатические взаимодействия образуются за счёт взаимодействия

Пептидная связь
1. Компланарность – все атомы, входящие в пептидную группу, находятся

Общее строение полипептидной цепи
Характеризуется тремя углами: ω, ψ, φ

Характеризуется тремя углами: ω, ψ, φ
Однако, двойной характер пептидной связи препятствует